推荐-LabVIEW的心电信号测试系统心电信号采集 精品

1 绪论由于计算机技术发展迅猛, 且具有众多厂商的软硬件支持, 使其在各领域的应用得到了长足的发展, 同时也促进了图形开发软件包和图形开发环境的迅速普及【2】。

虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与实验系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。

在虚拟仪器的图形软件开发平台研究方面, 最有代表性的是LabVIEW虚拟仪器软件开发平台【3】。

LabVIEW 是一种基于图形化语言的开发、调试、运行的集成化虚拟仪器开发平台。

它针对测试系统软件开发的需要将数据的采集、处理、存储、输出和远程传输等一些常用的功能模块化, 通过对程序模块的调用, 提高了模块的复用度和软件的开发效率【4】。

LabVIEW是一种面向对象的图形化编程语言开发环境，本文对其在医学心电信号采集与处理中的应用将做出具体介绍。

由于心电信号经DAQ数据采集卡采集后，在LabVIEW的前面板上只能显示出最原始，最简单的数据，尚不能直观的看出心电信号的心率大小等信息。

因此，本次设计的目的是开发一套基于LabVIEW的心电信号测试系统，要求在LabVIEW 的前面板上能直观的读取心率数据。

这种方法在国际上，并不是一个新的课题，前人已有过研究。

但是他们采用的计算方法都比较复杂。

所以，在延续已有的研究方案上，本人想设计出一套更为简单、便捷的测试系统。

实验方法均是在插入式信号采集卡DAQ的硬件支持下，利用LabVIEW编程软件，设计一套多通道心电信号采集测试系统。

使用模拟心电信号发生器，将心电信号进行调试和放大处理，然后输入DAQ数据采集卡进行采集，最终在电脑上通过LabVIEW编程软件的界面，显示出连续的，完整的心电信号。

通过对LabVIEW 的编程，使电脑能显示出心率大小，信号采集次数和信号采集频率的信息。

与已有的方案相比，本次设计的不同之处就在于如何对LabVIEW进行编程【5】。

本人的设计重点是信号的采集部分，对于种种设计中应注意的问题，和细节，将在本文中得以解释。

2 虚拟仪器概述虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。

以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。

下面的框图（1）反映了常见的虚拟仪器方案。

图（1）常见的虚拟仪器组建方案虚拟仪器的主要特点有：（1）尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

（2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

（3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。

虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。

目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。

PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft 公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。

对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威【6】。

3 数据采集系统简介在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。

它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。

各种类型信号采集的难易程度差别很大。

实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。

数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。

在通用微机系统里，含有一块非常重要的采集卡——DAQ数据采集卡,它是完成采集系统的不可或缺的部分。

3．1 数据采集系统的构成图（2）数据采集系统结构上图表示了数据采集的结构。

在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。

需要注意的两个问题是：是否使用Buffer？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。

3．1．1 缓冲（Buffers）这里的缓冲指的是PC内存的一个区域（不是数据采集卡上的FIFO缓冲），它用来临时存放数据。

例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。

但是将采集卡的数据先送到Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。

需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。

如果你的卡有DMA性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。

不使用Buffer意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理（图形化、分析等），因为这里没有一个场合可以保持你着手处理的数据之前的若干数据点。

下列情况需要使用Buffer I/O：·需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。

·需要连续采集或产生AC数据（>10样本／秒），并且要同时分析或显示某些数据。

·采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。

下列情况可以不使用Buffer I/O：·数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。

·需要缩减存储器的开支。

3．1．2 触发（Triggering）触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。

触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。

软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。

硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。

硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。

当某一模入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。

采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。

许多仪器提供数字输出（常称为“trigger out”）用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡。

下列情况使用软件触发：·用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且·事件定时不需要非常准确。

下列情况使用硬件触发：·采集事件定时需要非常准确。

·用户需要削减软件开支。

·采集事件需要与外部装置同步。

3．2 数据采集(DAQ)卡3．2．1 DAQ数据采集卡简介LabVIEW的数据采集（Data Acquisition）程序库包括了许多NI公司数据采集（DAQ）卡的驱动控制程序。

通常，一块卡可以完成多种功能 - 模/数转换，数/模转换，数字量输入/输出，以及计数器/定时器操作等。

用户在使用之前必须DAQ卡的硬件进行配置。

这些控制程序用到了许多低层的DAQ驱动程序。

本课程需要一块安装好的DAQ卡以及LabVIEW 开发系统。

数据采集系统的实物组成如图（3）所示：图（3）数据采集系统的组成DAQ系统的基本任务是物理信号的产生或测量。

但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号（电压或者电流信号）。

有时不能把被测信号直接连接到DAQ卡，而必须使用信号调理辅助电路，先将信号进行一定的处理。

总之，数据采集是借助软件来控制整个DAQ系统——包括采集原始数据、分析数据、给出结果等。

上图中描述了插入式DAQ卡。

另一种方式是外接式DAQ系统。

这样，就不需要在计算机内部插槽中插入板卡，这时，计算机与DAQ系统之间的通讯可以采用各种不同的总线，如并行口或者PCMCIA等完成。

这种结构适用于远程数据采集和控制系统。

当采用DAQ卡测量模拟信号时，必须考虑下列因素：输入模式（单端输入或者差分输入）、分辨率、输入范围、采样速率，精度和噪声等。

单端输入以一个共同接地点为参考点。

这种方式适用于输入信号为高电平（大于一伏），信号源与采集端之间的距离较短（小于15英尺），并且所有输入信号有一个公共接地端。

如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。

差分输入方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。

并且，由于消除了共模噪声的误差，所以差分输入的精度较高。

3．2．2数据采集卡的功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。

我们使用的是NI公司生产的PCI－6221型号的数据采集卡，它具有如下功能特点：·分辨率：16-Bit, 采样率：250 kS/s, 16 路模拟输入·两路 16-位模拟输出（833 kS/s）· 24 路数字 I/O; 32-位计数器; 数字触发·相关的 DIO （8 时钟, 1 MHz）· NI-MCal 校准支持· NI-DAQmx 测试软件和硬件配置程序支持· NIST- 校准证书和多余70种的信号调理模块选择NI PXI-6221 （16-通道, 24 路数字I/O, 2 路模拟输出）模拟输入是采集最基本的功能。

它一般由多路开关（MUX）、放大器、采样保持电路以及A/D来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。

A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的A/D。

模拟输出通常是为采集系统提供激励。

输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。

建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。

建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。

如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的D/A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。

应该根据实际需要选择D/A的参数指标。

数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。

它的重要参数包括：数字口路数（line）、接收 (发送 )率、驱动能力等。

如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。

路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。

但加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。

数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。

另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。

路数、数据转换速率、“握手”能力都是应理解的重要参数，应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I/O。

许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。

计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出。